Biopsychologie 1
Grundlagen I guess
Grundlagen I guess
Beschreiben Sie grob den Aufbau eines Neurons.
▪ Soma = eigentlicher Zellkörper mit Zellkern und vielen anderen Organellen
▪ Dendrit = griech. „Baum“ = Fortsätze der NZ die als „Empfänger“ fungieren und synaptische Verbindungen mit anderen Zellen ausbilden; es können sich spezielle „Dornen“ (spines) auf ihrer Oberfläche befinden
→hier die meisten Synapsen
▪ Axon = griech. „Achse“ = Fortsatz der NZ zur Informationsweiterleitung; beim Menschen zwischen 1μm und 1m lang; entspringt dem Axonhügel
▪ Zellkern = Nucleus = Ort der Translation von DNA in mRNA, Splicing (Zurechtschneiden von Erbinformation)
▪ Ribosomen = Ort der Transkription von mRNA in Proteine
▪ Mitochondrien = Ort der Zellatmung = „Kraftwerke der Zelle“
▪ glattes endoplasmatisches Retikulum = Membranstapel, der wichtig für Fettsynthese ist
▪ raues ER = Endoplasmatisches Retikulum mit Ribosomen ->Proteinsynthese
▪ Golgi Apparat = schnürt Vesikel und modifiziert Proteine
Wie funktioniert die Blut-‐Hirn-‐Schranke?
Bluthirnschranke (BHS) (auch: Blood brain barrier (BBB))
▪ Funktion: verhindert übertritt VIELER toxischer Substanzen aus dem Blut in das Gehirn
▪ Wie?
− Blut versorgt nicht direkt die Neurone sondern Astrozyten haben Verbindung zum Blut und „füttern“ die Nervenzellen
− Tight junctions lassen kaum Chemikalien vorbei
▪ Durchlässigkeit für Substanzen
− Gut: klein & lipophil (fettliebend)
− Schlecht: groß & hydrophil (wasserliebend)
Nennen Sie die Hauptfunktionen des Ventrikelsystems.
Ventrikel= 4 innere Kammern des Gehirns
− Pro Hemisphere Seitenventrikel
− 3. Ventrikel (Zwischenhirn)
− 4. Ventrikel (Rautenhirn)
▪ Gefüllt mit Cerebro-Spinal-Flüssigkeit (auch: CSF, Liquor cerebrospinalis)
→gebildet in Plexus Choroideus
▪ Funktion:
− Schutz des Gehirns
− Versorgung mit Nährstoffen
Sie wollen in einem Experiment untersuchen, ob eine bestimmte Hirnregion (z.B. der
Hippocampus) wichtig für eine bestimmte psychische Funktion ist (z.B. Lernen). Welche
Untersuchungsdesigns könnten Sie wählen?
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Erklären Sie die Begriffe „einfache“ und „doppelte Dissoziation“ anhand eines Beispiels.
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Was bedeutet bei einem psychopharmakologischen oder einem Läsions-‐Experiment der
Begriff „doppelblind“
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Was ist ein Placebo?
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Welche möglichen Erklärungen gibt es, wenn die Läsion einer bestimmten Hirnregion ein
bestimmtes Verhalten verändert?
f
Wozu wird eine stereotaktische Apparatur beim Menschen benutzt?
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Was ist eine Sham-‐Operation? Wofür wird sie benötigt?
f
Was ist ein stereotaktischer Gehirn-‐Atlas? Was ist eine stereotaktische Apparatur? Wozu
werden beide benutzt?
f
Wann muss man einen korrelativen Untersuchungsansatz einsetzen? Was lässt eine
korrelative Untersuchung nicht zu?
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Welches sind die drei wesentlichen Untersuchungsansätze der Biologischen Psychologie?
Geben Sie für jeden dieser Untersuchungsansätze ein Beispiel.
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Welchen Ansatz und welche Forschungsmethoden charakterisieren die Neuropsychologie?
f
Was unterscheidet die Physiologische Psychologie von der Psychophysiologie?
f
Beschreiben Sie kurz die unterschiedlichen Perspektiven auf das Leib-‐Seele-‐Problem. Was hat das mit der biologischen Psychologie zu tun?
f
Womit beschäftigen sich die Neuroanatomie, Neurophysiologie und Neurochemie?
f
Was hat die biologische Psychologie mit den Lebenswissenschaften zu tun?
f
Wie lässt sich die biologische Psychologie definieren? Warum macht es wenig Sinn, die
Definition auf die Funktionsweise des Gehirns einzuschränken?
Weit:
„..Teilgebiet der Psychologie, das sich mit der Verknüpfung ‚biologischer‘ und ‚psychologischer‘ Sachverhalte
befasst.“
...Enger:
Somatisch und psychische Prozesse
...Noch enger:
Nervensystem und psychische Prozesse
Stimulationsmethoden
= alle interferieren mit ZNS, transkraniell (von außerhalb des Schädels werden Veränderungen vorgenommen, nicht-invasiv)
Spule muss präzise posititioniert werden, Bewegungen der untersuchten Person müssen kontrolliert werden
Transkranielle Magnetstimulation:
Depolarisation im Gehirngewebe unter der Spule, Grundniveau wird leicht angehoben, Auslösung von Aktionspotenzialen
Arten: Single-Pulse (Stimulation des Motorcortex und Messung der ausgelösten Muskelkontraktion = Funktionen herausfinden), Paired Pulse, Repetitive Stimulation (länger als ein paar Minuten Effekt, oft wird Hemmung aufgelöst durch niedrigfrequente Stimulation- <= 1 Hz Inhibitorische Effekte, >= 5 Hz Exzitatorische Effekte - evtl. LTP)
Transkranielle Stromstimulation (tDCS): Elektroden an Kopfhaut (von Anode zu Kathode), Stromfluss dazwischen - nicht sehr fokal, sehr große Elektroden = große Bereiche (z.B. Primärer Motorcortex, Visueller, Dorsolateraler Präfrontaler), verändert Ruhemembranpotential -> immer wird gleichzeitig irgendwo gehemmt und anderswo erregt (kommt es durch Anode oder Kathode zustande?)
Transkranielle Wechselstromstimulation (tACS): Setup identisch, aber Signal ändert sich (Rythmen, keine einzelne Stimulation)- Entrainment (Neuronen unter den Elektroden nehmen stärker Rythmus von außen an)
-> kausale Zusammenhänge zwischen neuronalen Oszillationen und psychischen Prozessen
Transkranielle Temporale Interferenz-Stimulation (tTis): zwei Formen von tACS Stimulationen, überlagerung der Frequenzen = Erreichung von tiefen Gehirnschichten -> neu
Transkranielle Ultraschallstimulation (tUS): fokussierter Ultraschall kann neuronale Aktivität modulieren, erregend oder hemmend- kann auch tiefe Hirnregionen spezifisch vermutlich erreichen (mögliche Wirkmechanismen: Schalldruck führt zu mechanischen Effekt, welcher die Membranleitfähigkeit verändern ODER Bläschen verändern Spannung, Ionenkanäle öffnen sich durch Schalldruck)
Transkutane Vagusnervstimulation (tVNS): Parasympathisches Nervensystem wird direkt stimuliert, nicht invasiv über die Ohrmuschel elektrisch stimulierbar (Elektroden die dort aufliegen, kurze Pulse niedriger Intensität)
-> entweder werden Effekte direkt durch die Stimulation ausgelöst werden oder über Afferenzen via das ZNS (indirekte Effekte, wahrscheinlicher)
Funktionen des Noradrenalin
▪ Norepinephrin = Noradrenalin
▪ Wichtigster Neurotransmitter im symp. NS
– Stress
– Aufmerksamkeit und Vigilanz
– Erhalt Wachzustand (vgl. ARAS)
Funktionen des Serotonins
▪ Serotonin = 5HT (5 Hydroxy-Tryptamin)
→Viele komplexe und diffuse Wirkungen/Vielzahl psychischer Funktionen (Schlaf, Temperatur etc)
▪ Wahrnehmung und Integration von Sinnesleistungen (siehe halluzinogene Wirkung vieler 5-HT Agonisten wie DMT, LSD und Psylocin)
▪ Schlafregulation
▪ Schmerzwahrnehmung/hemmung
▪ Stimmungsaufhellung („Glückshormon“)
Funktionen des Dopamins
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Was sind Monoamine? Warum nennt man sie so?
2 Subgruppen
1. Catecholamine (aus Tyrosin)
2. Indolamine (aus Tryptophan)
Synthesegrundlage ist immer eine
Einzelne Aminosäure
→daher Monoamine
Welche Klassen von Neurotransmittern gibt es?
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Unterschied zwischen ionotropen und metabotropen Rezeptoren
Ligand= Molekül, das an Rezeptor bindet
Unterschied zwischen direkter und indirekter Synapse
▪ Direkte Synapse
– Ort der Transmitterfreisetzung/ Exozytose ist in unmittelbarer räumlicher Nähe zum Ort des Rezeptors
▪ Indirekte Synapse
– Größerer räumlicher Abstand vom Ort der Transmitterfreisetzung zum Ort des Rezeptors
Was ist der Unterschied zwischen nieder-- und hochmolaren Neurotransmittern?
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Beschreiben Sie die Anatomie der Synapse
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Beschreiben Sie, inwiefern die Modulation der Schreckreaktion ein Valenzindikator ist
▪ Angenehme Reize → Hemmung des Reflexes
▪ Negative Reize → Potenzierung des Effektes (hoher Schreckreflex)
Wie kann der Schreckreflex (Startle) ausgelöst werden? Wie misst man ihn?
Lidschlussreaktion
• Akustisch
• Visuell → Blitz
• Kutan → Elektroschock
• Taktil → Luftstoß
• Messung durch EMG am Orbicularis Oculi
• Bidirektionale Modulation = unterschiedliche Reaktion, je nach Valenz des Reizes/Situation
Welche Auswertungsschritte sind üblicherweise nötig, um vom EMG-Rohsignal zu einem interpretierbaren Wert zu gelangen?
Glättung = Tiefpassfilter
Wie kommt das biphasische EMG-Signal zustande?
▪ 1 Muskelfaser von 1 Motoneuron innerviert (nicht von mehreren Neuronen!)
▪ 1 Motoneuron kann VIELE Muskelfasern innervieren
▪ Ausschüttung von Acetylcholin an der motorischen Endplatte löst in Muskelfaser wandernde Depolarisation aus
→Der Muskel kontrahiert
→ Konsequenz: Wandernde Potentialdifferenz erzeugt lokale Negativierung & somit biphasisches Signal (+ & -) -> wird mit Nadel- oder Oberflächenelektroden registriert (Differenz zwischen der einen zur anderen Elektrode)
breiter Frequenzbereich (je nach dem wie viele Muskelfasern gleichzeitig erregt werden) (von 20-500 Hz)
Beschreiben Sie kurz das Prinzip der nichtinvasiven, kontinuierlichen Blutdruckmessung nach Peňáz.
▪ Prinzip: Kopplung einer photoplethysmographischen Messung mit einer Druckmanschette („wie viel Licht kommt durch den Finger“)
▪ Vorgang: Die Manschette wird mittels der Lichtmessung so eingestellt, das immer gleich viel Blutvolumen im Finger vorhanden ist (wenn Puls im Finger ankommt ist Manschette mehr aufgepumpt und andersrum)
▪ Blutdruck im Finger = angelegter externer Druck
Wie erfolgt eine Blutdruckmessung?
▪ Riva- Rocci- Methode, nach seinem Erfinder
1) Oberarmaterie wird mit einem Druckluftkissen komprimiert bis kein Puls mehr hörbar ist
2) Ablassen des Luftdrucks bis Puls wieder fühlbar= systolischer Druck → Korotkow- Geräusche
3) Diastolischer Druck bei Verschwinden der Korotkow-Geräusche
Was sind Korotkow-Geräusche?
▪ Benannt nach russischem Arzt
▪ Prinzip:
– Lässt man Druck aus der Manschette, so hört man (Stethoskop!) genau beim Erreichen des systolischen Drucks Klopfgeräusche
– Diese nehmen an Intensität solange zu, bis der diastolische Druck erreicht ist
– Dann verschwinden sie wieder
Was versteht man unter Systole/Diastole (21). Maßeinheit des Blutdrucks (24) Definition Bluthochdruch (Hypertonie)
Diastolisch medizinisch kritischer weil dauerhafte Schädigung der Gefäße
Was versteht man unter Puls-Transit-Zeit? Wie hängt diese Zeit vom Blutdruck ab?
= Zeit, die das Blut braucht um einen bestimmten Punkt (den der Messung) der Peripherie zu erreichen
▪ Abhängig vom Blutdruck
▪ Je höher der Blutdruck,
– desto schneller fließt das Blut,
– desto schneller ist es in der Peripherie.
Die Korrelation zwischen Puls-Transit-Zeit und Blutdruck ist also negativ (↑ Blutdruck korreliert mit ↓Puls-Transit-Zeit)
Wie misst man periphere Durchblutung?
▪ Periphere Blutgefäße liegen (u.a.) an der Hand direkt unter der Haut
▪ Optische Messung
▪ Idee: Je mehr Durchblutung, desto mehr Licht wird auf dem Weg durch den Finger durch das Blut verschluckt/absorbiert →weniger Licht am Rezeptor
Wie wird die periphere Durchblutung gesteuert?
▪ Periphere Durchblutung wird sympathisch reguliert
→Die peripheren Blutgefäße sind nur sympathisch innerviert!
▪ Sympathikusaktivität hoch
→Vasokonstriktion
→Blutdruck steigt
→Durchblutung sinkt
▪ Sympathikusaktivität niedrig
→Vasodilatation
→Blutdruck sinkt
→Durchblutung steigt
Was sind Akzelerationen/Dezelerationen der Herzrate?
▪ Akzeleration
→„Beschleunigung“
→kurzfristige Zunahme der Herzrate
▪ Deszeleration
→„Verlangsamung“
→kurzfristige Abnahme der Herzrate
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Lernkarten
Warum dürfen Personen mit Herzschrittmacher nich t im MRT-Scanner untersucht werden?
▪ Herzschrittmacher enthalten ferromagnetische Metalle (z.B. Eisen). Diese haben starke Wechselwirkungen mit Magnetfeldern mit 3 möglichen Konsequenzen:
− starke Erwärmung
− Beschleunigung eisenhaltiger Komponenten
− Schrotten eisenhaltiger elektronischer Bauteile →Funktionsverlust
Welche drei großen Verarbeitungsschritte sind für die Auswertung von fMRT-Daten nötig?
1. Vorverarbeitung (Preprocessing):
- Korrektur des zeitlichen Versatzes (slice timing)
- Bewegungskorrektur (realignment)
- Normalisierung auf ein Standard-Gehirn (normalization)
- Räumliche Glättung (smoothing)- verwischen um es repräsentativer zu machen
2. Einzelpersonen-Analyse (1st Level Statistics)
3. Gruppen-Analyse (2nd Level Statistics)
- Definition einer Schwelle statistischer Signifikanz (thresholding Statistical Parametric Map)
- Korrektur für multiple Vergleiche (Tests werden simultan in tausenden von Voxeln gerechne
Was ist die Grundlage des BOLD--Effekts?
▪ Prinzip: oxygeniertes Blut hat andere (magnetische) Eigenschaften als desoxygeniertes Blut
▪ Desoxyhämoglobin ist paramagnetisch was bedeutet, dass Magnetfeld innerhalb des Moleküls stärker ist, als außerhalb
– Absorbiert mehr Energie aus dem elektromagnetischen Feld
→ senkt die Feldhomogenität → das MR- Signal wird schwächer
▪ Oxyhämoglobin ist diamagnetisch was bedeutet, dass ein Magnetfeld innerhalb des Moleküles genauso stark ist, wie außerhalb
▪ Wenig Aktivität
→Viel Desoxyhämoglobin
→Feldinhomogenität
→schwaches MR-Signal
man misst ob viel oder wenig Oxy oder Desoxi
-> zeitlich verschoben und bissl unprezise, Summe der Aktionspotenziale bilden Dauer nicht gut ab, aber geglättete schon
Veränderungen neuronaler Aktivität schlagen sich im BOLD Signal in der hämodynamischen Reaktion nieder, Erfassung des gesamten Gehirns dauert ca. 1,5-2,5s
Was ist eine hämodynamische Reaktion? Wie entsteht sie?
= BOLD response→„blood oxygen dependent level response“
▪ Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht: Oxygeniertes Hämoglobin wird in Desoxygeniertes umgewandelt
▪ Bei neuronaler Aktivität wird oxygeniertes Hämoglobin antransportiert → Überschuss (Überkompensation)
→ Änderung des Verhältnisses
→ hämodynamische Reaktion
Wie wird bei MRTMessungen eine Ortskodierung erreicht?
räumliche Zuordnung des MRT-Signals erfolgt über drei unabhängige Ortskodierungen: Magnetische Schichtauswahl (Modulation des statischen Magnetfeldes über Gradientenspulen), Frequenzkodierung (Wellenlänge manipulieren), Phasen-Enkodierung (nach rechts oder links Verschiebung der Welle)
-> gemeinsam checkt man dann, wo im Körper was ist
▪ Bild in Spalten& Zeilen aufteilen → Positionsfeststellung der Teilchen
▪ X- Gradient: nicht nur eine Einzelfrequenz detektiert , sondern ein Frequenzspektrum
→ Frequenz-Enkodierung
▪ Z- Gradient: nur eine Schicht reagiert (Schichtselektionsgradient)
→Schichtauswahl
▪ y- Gradient : Spin in jeder Schicht unterschiedlich schnell dephasiert
→Phasen-Enkodierung
Was bedeuten T1 und T2 Relaxationszeiten?
Relaxation hat zwei Bewegungskomponenten: Längsmagnetisierung, Quermagnetisierung zerfällt
T1: Aufbau der Längsmagnetisierung
▪ T2= Zerfall der Quermagnetisierung → Atome routieren wieder individuell
– Kurze t-2- zeit → dunkel: weiße Substanz
– Lange t-2- Zeit → hell: graue Substanz, Liquor
-> nimmt rascher ab als Längs (Spin-Spin-Relaxation vs. Spin-Gitter-Relaxation), lassen sich in zwei Zeitkonstanten beschreiben
Unterschiedliche Gewebetypen besitzen unterschiedliche Zeitkonstanten
Beschreiben Sie kurz die Funktionsweise der MRT
▪ Beruht auf Kernspinresonanz (NMR)
– 60% unserers Körpers bestehen aus Wasser→ Wasserstoff → 1 Proton
▪ Wasserstoffteile ordnen sich entlang Magnetfeld an (parallel oder antiparallel)& beginnen durch zusätzliches Magentfeld (Radiofreqzenz-Puls) zu kreiseln (Larmorpräzession)
▪ Nach Abschalten des zusätzlichen Magentfelds kippen gehen Atome in ursprüngliche Ausrichtung zurück
– Relaxationssignale werden gemessen
– Je nach Gewebsstruktur unterschiedliche Relaxationszeiten
Was man braucht: Starkes magnetisches Magnetfeld (statisch), Hochfrequenzsender (zeitlich wechselnd, dynamisch), Hochfrequenzempfänger (registriert schwache elektromagnetische Signale)
-> vulnerable Personen können untersucht werden, weil kein gewebsschädigende Substanzen - aber alle Anteile an Personen die magnetisierbar sind sind problematisch
Strukturelle Abbildungen (Fett, Knochen, Ventrikel, graue und weiße Substanz) und funktionelle Abbildungen (neuronal induzierte Durchblutungsveränderungen)
Nennen Sie zwei bildgebende Verfahren, mit denen Strukturen (Prozesse) des Gehirns
sichtbar gemacht werden können
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Beschreiben Sie an Hand zweier Beispiele, was mit PET gemessen werden kann
1 Messung dopaminerger Aktivität nach Blockierung des Dopamintransporters mit Kokain im Vergleich zu Kontrollen
2 Aufzeigen von Unterschieden in dopaminerger Aktiverung bestimmter Hirnregionen bei verschiedenen Substanzen (Cocain/Methylamphetamin)
3 Messung von Glucoseverbrauch von Gesunden im Vergleich zu Menschen mit großflächigen (sub)cortikalen Läsionen (z.B. nach Schlaganfall)
4 Längsschnittuntersuchung mit radioaktiven Tracern für Amyloidplagues in der Alzheimerforschung.
Was versteht man unter dem Substraktionsverfahren?
▪ Problem 1: neuronale Aktivität in Bezug auf Stimulation (Bilder etc.) ist überlagert von
Grundaktivität des Gehirns!
▪ Lösung: Herausrechnen der Grundaktivität mittels Subtraktionsmethode
▪ Subtraktionsmethode: Die verschiedenen neuralen Reaktionen werden voneinander
abgezogen. Zurück bleiben die Unterschiede in neuraler Aktivierung.
▪ Problem 2: Da Gehirne unterschiedlich aufgebaut sind (Größe, Sulci, Gyri etc.)
▪ Lösung: Anatomische Normalisierung/Standardisierung nötig
Beschreiben Sie kurz die Funktionsweise von PET.
▪ Radionuklide zerfallen unter Emission von Positron (Beta-plus-Strahlung)
▪ Positron verschmilzt mit Elektron (Annihilation)
▪ Verschmelzung setzt 2 Annihilationsphotone frei
▪ Annihilationsphotone entfernen sich mit Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzte Winkel (180°) voneinander (Gammastrahlung)
▪ Koinzidenzschaltung: registriert immer dann Signal wenn die 2 Gammadetektoren gleichzeitig aktiviert werden
Was versteht man unter der neurovaskulären Kopplung?
▪ Neurovaskulär → Nerven& Blutgefäße betreffend
▪ Aktivierung einer bestimmten Hirnregion führt zu erhöhtem Sauerstoffverbrauch (CMRO2= cerebral metabolic rate of oxygen, )
-> neuronale Aktivität führt zu Durchblutungsveränderungen (Sauerstoffverbrauch)
▪ Folge:
– Erweiterung der lokalen Arteriolen
→Erhöhung der lokalen Durchblutung(CBF) (sehr spezifisch in kleinen Bereichen des Gehirns)
→Sauerstoffversorgung verbessert sich
→Anteil an desoxigeniertem (sauerstoffarmen) Hämoglobin sinkt
Wofür stehen die Abkürzungen CT, PET, MRT, NIRS?
▪ CT = Computertomographie - beruht auf Prinzip der Röntgentechnik (abgeschwächte Strahlung in Abhängigkeit von Gewebedichte)
CT-Bild: eine aus viele einzelnen Röntgenaufnahmen mathematisch ermittelte bildlich dargestelle Dichteverteilung des Körpergewebens (bessere Auflösung), 3D Bildgebung aus sehr vielen Schichtaufnahmen
Vorteile: einfache, robuste Technik + kostengünstig, Untersuchungen während Eingriffen möglich
Nachteile: Strahlenbelastung (gewebsschädigend), je nach Untersuchung Gabe von Kontrastmitteln nötig (invasiv)
-> Röntgenröhren drehen sich um Kopf herum
▪ PET = Positronenemissionstomographie
beruht auf neurovaskulärer Kopplung, physikalisch: Radionuklide (radioaktive Substanzen, Radiopharmaka müssen kurz vorher hergestellt werden, Standardsubstanz Fluorodesoxyglucose- spezifische erlauben tiefere Einblicke, wie z.B. Raclopride die an Dopamin Rezeptoren bindet) zerfallen unter Emission eines Positrons und verschmilzt mit einem Elektron- Verschmelzung setzt zwei Annihilationsphotone frei, die sich mit Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzte Richtung entfernen (= Gammastrahlung) -> Ort der Zerfalls ortbar, Identifizierung von Gehirnarealen mit hohen Zerfallsraten
Vorteile: Erfassung aktivitätsinduzierter Veränderungen und der endogenen Neurotransmission (Verteilung von Rezeptoren etc, nur bei PET möglich)
Nachteile: Radionukleide anspruchsvoll und damit teuer, Wiederholungsmessungen problematisch (Ionisierende Strahlung), niedrige zeitliche Auflösung (Prozesse messbar die ein paar Minuten dauern), anatomische Referenzaufnahmen zusätzlich notwendig (moderne Geräte haben auch CT)
▪ (f)MRT/MRI = (funktionelle) Magnetresonanztomographie =Kernspintomographie
▪ NIRS = Nahinfrarotspektroskopie
Was ist der Unterschied zwischen EEG und MEG? Vorteil des MEGs
MEG (dicker Helm):
Elektrische Dipole in der Großhirnrinde generieren schwache magnetische Felder -> für die Messung braucht man krasse Techniken (= hochempfindliche Detektoren, SQUIDs = Superconducting Quantum Interference Device, müssen krass heruntergekühlt werden)
neuere Entwicklung: Optically Pumped Magnetometer (OPM), erfassen Magnetfelder über die Wechselwirkung von Laserlicht mit den Spins von Atomen - bisschen flexibler, Signale etwas stärker, bei Raumtemperatur
-> beide basieren auf ähnlichem Prinzip (es wird das Nebenprodukt von elektrischer Aktivität in kortikalen Schichten gemessen = Magnetische Veränderungen)
MEG hat höhere räumliche Auflösung (Magnetfelder werden weniger stark gedämpft durch Schädel selber) aber auch deutlich teurer und aufwändiger
MEG misst magnetisch, EEG elektrisch: untersch. neuronale Veränderungen, MEG (misst eher in Sulci), EEG sensitiv für Gyri (näher an Kortexoberfläche)
Wie entstehen EEG--Rhythmen?
▪ Ein Signal an der Kopfoberfläche kann nur gemessen werden, wenn sich zahlreiche (≥10000) Dipole synchron bilden.
→ Summierte exzitatorische postsynaptische Signale (Keine Aktionspotentiale!!!)
▪ Alpha Rhythmus (teilweise auch Delta Rythmus):
– thalamische Schrittmacherzellen
– Wird durch Formatius reticularis interferiert → führt zu erhöhten Aufmerksamkeit → Unterbrechung des AlphaRhythmus
▪ Beta- und Gamma-Rhythmus:
– lokale intrakortikale oszillatorische Netzwerke, gemeinsame verschaltung von größeren Neuronenverbünden im Cortex, die dann beginnen sich auf einen bestimmten Rythmus einzuschwingen
- Theta-Rythmus:
stark durch hippocampale Netzwerke
Ereigniskorrelierte Potenziale:
beruhen auf dem synchronen Auftreten von postynaptischen Potenzialen in großen Zellverbänden, beschreiben Hemmung/Abbau von Mobilisierung vs. Mobilisierung selber als Positivierung oder Negativierung = Mobilisierung
Genese des EEG-Signals:
Warum können Aktionspotentiale nicht für die im EEG gemessenen Spannungsschwankungen verantwortlich sein? Welche physiologischen Prozesse liegen negativen (positiven) Potentialschwankungen im EEG tatsächlich zugrunde?
▪ Aktionspotentiale sind schon nach kurzer Entfernung vom Axon nicht mehr nachweisbar
▪ Was denn dann?
EPSPs → exzitatorische postsynaptische Signale:
- sind verhältnismäßig träge
- können sich summieren/überlagern
Teilweise/Selten auch IPSPs (inhibitorische postsynaptische Signale)
Positives Potential:
- IPSP an Cortexoberfläche
- Tiefergelegenes EPSP
- Depolarisation im Soma: führt zur Negativierung am Soma + Positivierung an den Dendriten
=> Kortexoberfläche „ist positiviert“
Negatives Potential:
- EPSP an Cortextoberfläche
- Tiefergelegenes IPSP
- Positivierung am Soma + Negativierung an den Dendriten
-> Kortexoberfläche "ist negativiert"
Kombination von Zeit- und Frequenzdomäne
eher untypisch
EKPs in Psychologie und Neurologie
Psychologie/Neurowissenschaften
• Sensorische Verarbeitung & Kategorisierung
• Kognitions- & Emotionsforschung
• Exekutive Funktionen
• Stimulusbezogene (Bottom-up) Aufmerksamkeit
• Informationsverarbeitung
Neurologie
• Diagnostik: Sinnesleistungen bei bewusstlosen oder sprachunfähigen Individuen
• Reizweiterleitungsprozesse
Welche Kennwerte lassen sich aus ERPs ableiten?
▪ Amplituden (in μV):
− von der Baseline (Grundlinie) = baseline to peak
− zwischen lokalen Extrema = peak to peak
▪ Latenz (in ms): Abstand des Gipfel/Tals vom Reizeinsatzpunkt (R) aus
▪ Lokalisation der Elektrode:
Z.B.: frontal oder parietal
Visualisierung: Grand Average (durchschnittliches EKP über alle Messungen) oder Topografie (Amplitudenverteilung über den Schädel)
Was sind exogene, was endogene Komponenten eines ereigniskorrelierten Potenzials?
Arten ereigniskorrelierter Potenziale:
Sensorisch: folgen unmittelbar auf Sinnesreiz
Motorisch: gehen motorischer Aktivität direkt voraus
Endogen: innere Prozesse im Individuum, z.B. wenn ein Ereignis bedeutungsvoll ist
Langsame Potenzialverschiebungen: vorbereitende Veränderungen (Antizipation einer motorischen Bewegung/Externstimulation)
Was bedeuten N und P bei ereigniskorrelierten Potentialen?
▪ P = positiv (Positivierung des Potentials)
→ Hemmung des Signals
▪ N = negativ (Negativierung des Potentials)
→ Mobilisierung des Signals
▪ Achsen immer mitbetrachten!
Wie kommt die Nomenklatur der Komponenten ereigniskorrelierter Potenziale zustande?
Uneinheitlich gehandhabt!
Zwei Möglichkeiten der Klassifizierung:
1.) Nach Auftretenszeit: z.B. P300 nach ca. 300ms
2.) Nach der Reihenfolge der lokalen Minima/Maxima: z.B. N2 als zweite Negativierung
Teilweise wird jedoch auch nach „Funktion“ der Komponente benannt: ERN (Error-Related Negativity)
Mitangabe der Elektrodenlokalisation (z.B. frontal)
Beschreiben Sie das Vorgehen, mit dem ereigniskorrelierte Potenziale sichtbar gemacht
werden können.
▪ EKP =ereigniskorreliertes Potential
ERP= event related potential
= eigenständige, ereignisbezogene hirnelektrische Erscheinung, die zusätzlich zur Spontanaktivität auftritt, durch äußere oder innere Ereignisse hervorgerufen
EKPs sind niedrig-amplitudig
▪ Ziel: EKP soll aus „Hintergrundrauschen“ herausgefiltert werden
▪ Problem: Hintergrundrauschen hat stärkeres Signal
▪ Lösung: Mittelung des Signals durch vieler Versuchsdurchgänge
→ Mitteln des EEGs führt dazu, dass Spontan-EEG gegen Null strebt + das
EKP summiert sich auf
Mittlungsverfahren: Isolation der Komponenten, die konsistent über die Wiederholungen hinweg hervortreten
Wodurch unterscheiden sich Grand-Mal und PetitMal-Anfälle?
f
Wofür werden Messungen der EEG-Spontanaktivität in der Psychologie und der Neurologie eingesetzt?
Psychologie/Neurowissenschaften
• Zeitlich präzise Untersuchung kognitiver Prozesse
• Aufmerksamkeitsprozesse (z.B. Theta-Wellen bei Konzentration)
• Schlaf & Bewusstseinszustände
• Kortikale Plastizität
Neurologie
• Diagnostik: Epilepsie (Absence Epilepsie: Spike-Wave Komplexe werden im EEG erkannt, eine Zacke und eine Welle- drei Stück pro Sekunde- kurzes Wegtreten, nicht körperlich, Tonisch-klonische Epilepsie: stark generalisierte Wellenmuster, Bewusstseinsverlust und Krämpfe - man kann im EEG epileptische Herde erkennen, die man dann operativ verändern kann), Narkolepsie, Demenz
• Kopfverletzungen
• Vergiftungen
Feststellung des Todes (Nulllinien-EEG)
Welches sind die klassischen Wellenbereiche des EEG (Name, Frequenzbereich) und in welchen Zuständen lassen sie sich beobachten?
Alpha (als erstes entdeckt): Synchronisiertes Wach-EEG, entspannter Wachzustand mit Augen zu, sehr hohe Regelmäßigkeit - Alpha-Blockade durch Augenöffnung, dann direkt Beta
Beta: kleinere Amplituden, sieht unregelmäßiger aus/desynchronisiert, mentale/körperliche Aktivität - angespanntes/konzentriertes Wachsein
Theta: größere Amplituden, dösender Wachzustand, Übergang zum Einschlafen oder bei Meditation oder bei Zuständen großer Konzentration
Delta: sehr großamplitudig, bei gesunden Personen nur im Tiefschlaf (slow-wave sleep), pathologisches Auftreten z.B. bei Koma
Gamma: ganz hoher Frequenzbereich, kleine Amplituden/unregelmäßig, Wachzustand, wichtig für Repräsentation/Analyse von Wahrnehmungsobjekten (Binding-Problem: Wahrnehmung objektbezogen, obwohl sensorische Merkmale verteilter repräsentiert werden), Idee: Gamma führt dazu, dass verteilte Repräsentationen sich gemeinsam einschwingen und signalisieren dass sie zusammen gehören
Frequenzband- Dominanz
▪ Man kann immer einen Mix aus verschiedenen Frequenzbändern messen
→nur eine relative Dominanz bestimmter Bänder durch Spektralanalyse oder Power Spektren deutlich machen
▪ Es kommt vor, dass an bestimmten Elektroden manche Bänder stärker ausgeprägt sind als an anderen Elektroden
Was versteht man unter Spektralanalyse? Was ist ein Power-Spektrum?
▪ Spektralanalyse: wir nehmen Signal und extrahieren Frequenzen
− Prozentualer Anteil verschiedener Frequenzbänder in bestimmtem Zeitintervall durch Fourier- Analyse
− Abbildung der Spektralanalyse nennt sich „Frequenzhistogramm“
▪ Power Spektren:
− Quadrierte Amplitude der jeweiligen Frequenzen
− Verdeutlicht zeitlich variierende Dominanz bestimmter Frequenzen
Was macht eine Fourier-Analyse?
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Was macht eine Fourier-Analyse?
Zerlegung des EEG in Sinuskurven verschiedener Frequenz und Amplitude, Amplituden dieser einzelnen Sinuswellen werden dann extrahiert
Signal wird beschrieben als Überlagerung von Sinuskurven und Amplituden
Beschreiben Sie mögliche Verfahren zur Filterung von EEG-Aufzeichnungen. Warum werden Filter eingesetzt? Beschreiben Sie verschiedene Typen der EEG-Aktivität.
▪ Tiefpassfilter:
− Lässt nur Frequenzen unter einem bestimmten Cut-off Wert passieren
− Hohe Frequenzen werden rausgefiltert
▪ Hochpassfilter:
− Lässt nur Frequenzen über einem bestimmten Cut-off Wert passieren
− Niedrige Frequenzen werden rausgefiltert
▪ Bandpassfilter:
– Alles im Band passiert den Filter, alles drunter/ drüber wird rausgefiltert
– Hoch-& Tiefpassfilter kombiniert
▪ Notch Filter („Kerbfilter“):
– Filtert bestimmte Frequenz z.B. 50 Hz aus Signal raus,
Sinn: Vermeiden von Artefakten und Hervorhebung von interessanten Signalen.
Typen:
Spontan-Aktivität: unterscheidet sich je nach Zustand, kontinuierlich registrierbare Spannungsschwankung (zw. 0,5 und 50 Hertz, Amplituden zwischen 1 und 200), zusammengesetzt aus verschiedenen Frequenzbändern (z.B. Ruhe-EEG)
Frequenzdomäne: Signal wird hinsichtlich der Stärke beurteilt
Evozierte Aktivität: Aktivität, die man durch ein Ereignis auslöst (z.B. sensorisch, motorisch oder endogen = innere Verarbeitungsschritte, langsame Potenzialverschiebungen (motorische Planungen)), Problem: immer überlagert von Spontanaktivität
Zeitdomäne: Signal wird entsprechend der Veränderungen über versch. Zeitpunkte beurteilt
Wie lassen sich Artefakte im EEG vermeiden bzw. korrigieren?
▪ 50 Hertz Rauschen (Steckdosenfrequenz)
− Kabine abschirmen, gefilterte Netzversorgung
− Probanden erden (also elektrische Ströme vom Proband ins Erdreich ableiten)
− 50 Hertz Notch Filter (filtert exakt 50 Hertz Frequenzen)
▪ Muskelbewegungen
− Instruktion: Kaugummi raus (Kiefermuskulatur hat sehr starke Signalschwankungen), still sitzen, nicht sprechen etc.
− EMG Ableitung und anschließende Eliminierung bzw. Korrektur kontaminierter Messung
− Statistische Kontrollen bzw. Augenscheinkontrolle
▪ Augenbewegungen
− EOG Koregistrierung (Elektrookulographie: Elektroden um die Augen herum um Bewegungen zu messen, Auge ist unterschiedlich geladen (Dipol), immer wenn sich Dipol bewegt verschiebt sich Ladungsdifferenz zwischen Elektroden- dann kann mans besser bereinigen)
− Ausschluss aller Trials, bei denen Augenbewegungen stattfanden
− Fixationskreuz
− Statistische Kontrolle → Korrektur durch spezifische Algorithmen
Blinzler werden manchmal automatisch erkannt, aber man sollte sich immer genau anschauen
Welche Artefaktquellen müssen bei der EEG-Aufzeichnung beachtet werden?
▪ Nicht physiologisch
– Lockere Elektroden, Limitierung des Referenzbereichs
– Netzbrummen (schlecht abgeschirmte Kabine) = in fast jedem EEG gibt es eine 50 Hertz Netzspannung durch Stromleitungen sind in der Nähe, ist sehr stabil
– Limitierungen des Aufzeichnungsbereiches/Blocking = Verstärker haben best. Aufzeichnungsbereich, wenn Signal zu hoch oder zu niedrig ist wird es nicht wahrgenommen kommt eine gerade Linie
• Je größer der Messbereich, desto schlechter die Auflösung
→ wenn der Messbereich zu knapp gewählt wird → Blocking
▪ Physiologisch
– Hautpotentiale (Schwitzen etc.)
– Kardiovaskuläre Artefakte (Herz hat relativ starke elektrische Aktivität, immer wenn Herz schlägt kreiiert es ein starkes elektrisches Feld)
▪ Muskulär
– Augenbewegungen - Saccades
– Muskelbewegungen (Mimik, Nacken, Kiefermuskel→ Kaugummi)
Wofür braucht man einen A-D-Wandler und was bedeutet in diesem Zusammenhang das NyquistTheorem?
Analoges Signal muss digitalisiert werden
▪ A-D Wandler = Analog-Digital Wandler benötigt für Umwandlung des aufgezeichneten Signales (analog) in digitale (vom Computer interpretierbare) Daten
wie oft speichere ich den Wert? Abtastrate wird in Hertz gemessen, manchmal wird Signal durch Digitalisieren dramatisch verändert, sieht z.B. niederfrequenter aus als es ist = Aliasing (z.B. mit einer niedrigen Abtastrate)
▪ Nyquist Theorem = Gesetz aus der Signalverarbeitung: Abtastrate (Anzahl der Messwerte pro Sekunde) immer doppelt so hoch wie die höchste im Signal vorkommende Frequenz
→ kurz: 2 x fmax Abtastungen
typische Abtastraten = 500 Hertz
Beispiel: EEG Signal mit 50 Hertz benötigt 100 Abtastungen um das Signal identifizieren zu können
→ meist liegen Spannungsveränderungen zwischen 0,5 und 50Hz
Was ist eine unipolare (bipolare) Ableitung?
oder (meistens) Offline Umrechnungen: gemittelte Mastoid-Referenz oder Average Reference (Mittelwert aller Elektroden, Vorteil: Signale mitteln sich raus, Nachteil: bestimmte Artefakte mitteln sich rein, z.B. Kiefermuskulatur)
wichtig: Verstärkung der gewünschten Signale und Abschirmung vor anderen Signalen (z.B. durch elektrisch geschirmte Kabine, Filterung elektrischer Leitungen/Nutzung von Gleichstromgeräten, akustische Schirmung)
Welche Art von Elektroden gibt es?
In welcher Maßeinheit wird beim EEG die Spannung registriert, und in welchem Messbereich befindet man sich etwa?
Aktive Elektroden: mit eingebauter Verstärkung/Rauschunterdrückung, Passive (erst später unterdrückt), Verringerung des elektrischen Widerstsnds zwischen Elektroden und der Haut (Impedanzreduktion)- sollte möglicht gering sein, dafür nutzt man die Elektrolytpaste die aufgetragen wird
typische Verwendung: nicht polarisierende Ag-AgCl-Elektroden
Elektrische Spannung existiert nur zwischen zwei Punkten
▪ Messbereich der EEG Messung: einige Mikrovolt = 1 millionstel Volt
▪ Verstärkung der Signale um Faktor 104 -106 nötig→ auf bis zu 1 Volt
▪ Abschirmung von anderen elektrischen Reizen nötig
Was ist ein EEG? Was versteht man unter dem 10-20 System? An welchen anatomischen Punkten orientiert sich dieses System?
= Erfassung der Spannungsveränderung zwischen zwei Elektroden
-> Aufgezeichneten Daten heißen Elektroenzephalogramm
-> wir messen das, was der Körper endogen generiert- und müssen das soweit verstärken dass es sichtbar gemacht werden kann
▪ Standardisiertes System zur EEG-Ableitung
▪ Strecke von Nasion zu Inion und zwischen den Präaurikulärpunkten (Knöchern) wird als 100% definiert
– Unterteilung der Distanz in 10%& 20% Schritte
▪ Ausgehend von diesen Koordinaten werden die Elektroden verteilt.
▪ Agenda:
– Gerade Nummern: rechte Hemisphäre
– Ungerade Nummern: linke Hemisphäre
– Z: zentral
– F, T, P, O: Lappen
Was ist ein intrakranielles EEG? Unterscheidung zu anderen Verfahren
▪ auch als Elektrocortikographie bezeichnet
▪ EEG, das direkt auf der Cortexoberfläche abgeleitet wird
▪ Nur bei neurochirurgischen Eingriffen genutzt
▪ Stärkeres Signals als bei non-invasiven Vorgehen
grün: Bildgebung
dunkelblau: Stimulationstechniken, Kühlung (Bereiche des Gehirns werden heruntergekühlt/abgeschaltet)
Was war nochmal die Psychophysiologie? Wie lassen sich UV& AV definieren? Gegenüberstellung Elektrophysiologische oder Bildgebende Verfahren
• Untersuchung physiologischer Korrelate psychischer Funktionen
nicht-invasive Messungen der Physiologie stehen im Vordergrund
• z.B.: Welche physiologischen Reaktionen gehen mit Stress einher?
• UV: Psychische Vorgänge
• AV: Physiologische Reaktionen
Methodeninventar:
- zentralnervöse Aktivitätsmessung (EEG, PET, fNIRS)
- autonome Aktivitätsmessung (elektrodermal, respiratorisch, kardiovaskulär)
- motorische Aktivitätsmessung (Elektromyographie)
-> unteren zwei Peripherphysiologie
Unterschiede:
elektrophysiologische Methoden (elektrische Neuronenaktivität):
- Hohe Zeitauflösung (ms)
- Keine Aussage über strukturell-anatomische Korrelate möglich
Bildgebung (Blutflussveränderungen):
- Genaue Lokalisation
- Indirektes Maß neuronaler Aktivierung
- Schlechte Zeitauflösung (1-3s)
Stimulationstechniken (Interferenz) z.B. Transkranielle Magnetstimulation oder Transkranielle Gleichstromstimulation
Beschreiben Sie die Frontallobotomie nach Freeman.
Frontale Lobotomie Moniz 1930er = Dekonnektivierung des Frontalcortex mittels Durchtrennung der Fasern der weißen Substanz, Anwendung bei extremen Schmerzerkrankungen oder schweren Fällen psychischer Erkrankungen (mangels verfügbarer Psychopharmaka)
▪ Nach Freeman („Eispickelmethode“) - haben sichs von Moniz abgeschaut und als "Psychochirurgie" bezeichnet
– Patient wird mit Elektroschock betäubt
− Eine eispickelartige Eisenstange wird über dem Auge ins Gehirn eingeführt
− Die Eisenstange wird geschwenkt um Faserverbindungen zum FC oder den Orbitofrontalkortex zu zerstören
− Das Procedere wird bilateral angewandt
ca. 1 Mio Pat wurden in Rathäusern und Turnhallen behandelt ("aufmüpfige Kinder" wurden "leichter steuerbar"), unzählige Komplikationen
▪ Konsequenz:
– Verlust „höherer“ kognitiver Funktionen
– Behinderung
→Schlimmstenfalls: Tod
